Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

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Emotion and Stress Recognition Related Sensors and Machine Learning Technologies

This book includes impactful chapters which present scientific concepts, frameworks, architectures and ideas on sensing technologies and machine learning techniques. These are relevant in tackling the following challenges: (i) the field readiness and use of intrusive sensor systems and devices for capturing biosignals, including EEG sensor systems, ECG sensor systems and electrodermal activity sensor systems; (ii) the quality assessment and management of sensor data; (iii) data preprocessing, noise filtering and calibration concepts for biosignals; (iv) the field readiness and use of nonintrusive sensor technologies, including visual sensors, acoustic sensors, vibration sensors and piezoelectric sensors; (v) emotion recognition using mobile phones and smartwatches; (vi) body area sensor networks for emotion and stress studies; (vii) the use of experimental datasets in emotion recognition, including dataset generation principles and concepts, quality insurance and emotion elicitation material and concepts; (viii) machine learning techniques for robust emotion recognition, including graphical models, neural network methods, deep learning methods, statistical learning and multivariate empirical mode decomposition; (ix) subject-independent emotion and stress recognition concepts and systems, including facial expression-based systems, speech-based systems, EEG-based systems, ECG-based systems, electrodermal activity-based systems, multimodal recognition systems and sensor fusion concepts and (x) emotion and stress estimation and forecasting from a nonlinear dynamical system perspective

Rekonstruktion, Analyse und Editierung dynamisch deformierter 3D-Oberflächen

Dynamically deforming 3D surfaces play a major role in computer graphics. However, producing time-varying dynamic geometry at ever increasing detail is a time-consuming and costly process, and so a recent trend is to capture geometry data directly from the real world. In the first part of this thesis, I propose novel approaches for this research area. These approaches capture dense dynamic 3D surfaces from multi-camera systems in a particularly robust and accurate way. This provides highly realistic dynamic surface models for phenomena like moving garments and bulging muscles. However, re-using, editing, or otherwise analyzing dynamic 3D surface data is not yet conveniently possible. To close this gap, the second part of this dissertation develops novel data-driven modeling and animation approaches. I first show a supervised data-driven approach for modeling human muscle deformations that scales to huge datasets and provides fine-scale, anatomically realistic deformations at high quality not attainable by previous methods. I then extend data-driven modeling to the unsupervised case, providing editing tools for a wider set of input data ranging from facial performance capture and full-body motion to muscle and cloth deformation. To this end, I introduce the concepts of sparsity and locality within a mathematical optimization framework. I also explore these concepts for constructing shape-aware functions that are useful for static geometry processing, registration, and localized editing.Dynamisch deformierbare 3D-Oberflächen spielen in der Computergrafik eine zentrale Rolle. Die Erstellung der für Computergrafik-Anwendungen benötigten, hochaufgelösten und zeitlich veränderlichen Oberflächengeometrien ist allerdings äußerst arbeitsintensiv. Aus dieser Problematik heraus hat sich der Trend entwickelt, Oberflächendaten direkt aus Aufnahmen der echten Welt zu erfassen. Dazu nötige 3D-Rekonstruktionsverfahren werden im ersten Teil der Arbeit entwickelt. Die vorgestellten, neuartigen Verfahren erlauben die Erfassung dynamischer 3D-Oberflächen aus Mehrkamera-Aufnahmen bei hoher Verlässlichkeit und Präzision. Auf diese Weise können detaillierte Oberflächenmodelle von Phänomenen wie in Bewegung befindliche Kleidung oder sich anspannende Muskeln erfasst werden. Aber auch die Wiederverwendung, Bearbeitung und Analyse derlei gewonnener 3D-Oberflächendaten ist aktuell noch nicht auf eine einfache Art und Weise möglich. Um diese Lücke zu schließen beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit der datengetriebenen Modellierung und Animation. Zunächst wird ein Ansatz für das überwachte Lernen menschlicher Muskel-Deformationen vorgestellt. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht eine datengetriebene Modellierung mit besonders umfangreichen Datensätzen und liefert anatomisch-realistische Deformationseffekte. Es übertrifft damit die Genauigkeit früherer Methoden. Im nächsten Teil beschäftigt sich die Dissertation mit dem unüberwachten Lernen aus 3D-Oberflächendaten. Es werden neuartige Werkzeuge vorgestellt, die eine weitreichende Menge an Eingabedaten verarbeiten können, von aufgenommenen Gesichtsanimationen über Ganzkörperbewegungen bis hin zu Muskel- und Kleidungsdeformationen. Um diese Anwendungsbreite zu erreichen stützt sich die Arbeit auf die allgemeinen Konzepte der Spärlichkeit und Lokalität und bettet diese in einen mathematischen Optimierungsansatz ein. Abschließend zeigt die vorliegende Arbeit, wie diese Konzepte auch für die Konstruktion von oberflächen-adaptiven Basisfunktionen übertragen werden können. Dadurch können Anwendungen für die Verarbeitung, Registrierung und Bearbeitung statischer Oberflächenmodelle erschlossen werden

Vision artificielle pour les non-voyants : une approche bio-inspirée pour la reconnaissance de formes

More than 315 million people worldwide suffer from visual impairments, with several studies suggesting that this number will double by 2030 due to the ageing of the population. To compensate for the loss of sight the current approaches consist of either specific aids designed to answer particular needs or generic systems such as neuroprostheses and sensory substitution devices. These holistic approaches, which try to restore vision as a whole, have been shown to be very inefficient in real life situations given the low resolution of output interfaces. To overcome these obstacles we propose the use of artificial vision in order to pre-process visual scenes and provide the user with relevant information. We have validated this approach through the development of a novel assistive device for the blind called Navig. Through shape recognition and spatialized sounds synthesis, this system allows users to locate and grab objects of interest. It also features navigational aids based on a new positioning method combining GPS, inertial sensors and the visual detection of geolocalized landmarks. To enhance the performance of the visual module we further developed, as part of this thesis, a bio-inspired pattern recognition algorithm which uses latency-based coding of visual information, oriented edge representations and a cascaded architecture combining detection at different resolutions.La déficience visuelle touche aujourd’hui plus de 315 millions de personnes à travers le monde, un chiffre qui pourrait doubler d’ici à 2030 du fait du vieillissement de la population. Les deux grandes approches existantes pour compenser la perte de vision sont les aides spécifiques, répondant à un besoin identifié, et les systèmes génériques tels que les neuroprothèses ou les systèmes de substitution sensorielle. Ces approches holistiques, tentant de restituer l’ensemble de l’information visuelle, s’avèrent inadaptées de par la trop faible résolution des interfaces de sortie, rendant ces systèmes inutilisables dans la vie quotidienne. Face à ce constat, nous proposons dans cette thèse une démarche alternative, consistant à intégrer des méthodes de vision artificielle, afin de prétraiter la scène visuelle, et de ne restituer au non-voyant que les informations extraites pertinentes. Pour valider cette approche, nous présenterons le développement d’un système de suppléance baptisé Navig. Grâce à la reconnaissance de formes et à la synthèse de sons spatialisés, il permet à l’utilisateur de localiser des objets d’intérêt. Il offre également des fonctions de navigation, basées sur une nouvelle méthode de positionnement combinant GPS, données inertielles, et détections de cibles visuelles géolocalisées. Afin d’améliorer les performances du module de vision artificielle, nous proposerons également dans cette thèse un nouvel algorithme de reconnaissance de formes bio-inspiré, reposant sur un codage de l’information visuelle par latence, sur des représentations sous forme d’arêtes orientées, et sur une architecture en cascade combinant des détections à différentes résolutions